連作西瓜抗逆系統(tǒng)及土壤微生態(tài)對大蒜伴生的響應

吳紹軍，孟佳麗，沈 虹，張黎杰，周玲玲，田福發(fā)，余 翔

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院宿遷農(nóng)科所，江蘇宿遷 223800)

植物通過釋放某些化學物質(zhì)到環(huán)境中進而影響自身或其他活體植物、動物及其他微生物的生長發(fā)育稱為化感作用?；凶饔迷谥袊r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，地表覆蓋、翻壓、填閑，以及各種種植方式，都對植物生長有直接或者間接影響[1]?；兄参锟蓽p輕病蟲害[2-5]，促進生長[6]、保護環(huán)境。前人研究表明，小麥-西瓜伴生系統(tǒng)可有效減緩西瓜葉片衰老，提高光合作用效率，增加植株及果實生長量[7]；小麥和玉米秸稈還田后可增加小麥根際土壤中有機酸物質(zhì)，小麥根系活力及相關(guān)生理活性顯著降低[8]；巴茅草葉片和植物莖稈浸提液可有效減少白菜生物量[9]；不同濃度谷子水浸提液可以有效抑制谷子田間雜草的惡性生長、降低雜草光合速率及雜草的蒸騰速率[10]；銀木凋葉和落葉腐爛分解物可以降低黃瓜光合速率和氣孔導度大小，降低黃瓜葉片相關(guān)氧化酶活性，減緩了黃瓜植株生物量生長[11]；核桃凋落葉分解物質(zhì)能抑制小麥葉片氧化酶活性，致使葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖含量減少，膜氧化產(chǎn)物MDA含量顯著增加[12]。

大蒜為百合科蔥屬植物，由于有殺菌殺蟲重要作用，常用來與一些忌連作的作物間套作或輪作，改善大蒜-間套作作物根際土壤理化性質(zhì)[13]。利用大蒜化感物質(zhì)防治土傳病蟲害及改良土壤等相關(guān)研究已有報道。大蒜與番茄伴生栽培，能夠增加番茄根際土壤酶活性和土壤根際菌群發(fā)生數(shù)量，改善根際菌落微環(huán)境，減少根際根結(jié)線蟲數(shù)量，降低根際真菌數(shù)量，改善土壤肥力和土壤酸堿化程度，從而促進番茄生物量和產(chǎn)量增加，以及果實生長和品質(zhì)改善[14-15]；大蒜與小麥伴生栽培可以改善小麥根際菌落平衡，增強小麥根際土壤相關(guān)酶活性[16]。

連作障礙是指同一種或同科等近緣作物連茬種植后，在正常的栽培管理下，產(chǎn)生植株長勢變?nèi)?、產(chǎn)量下降、品質(zhì)變劣以及土傳病蟲害蔓延等現(xiàn)象[17]。西瓜(Citrulluslanatus)原產(chǎn)非洲，是一種重要的園藝作物，在中國經(jīng)濟作物中占有重要地位，是農(nóng)業(yè)增效農(nóng)民增收的重要瓜類之一[18]。西瓜忌重茬，由于連年規(guī)?；?、集約化種植，不良的種植施肥澆水習慣，加之設(shè)施本身的封閉特性，導致土壤理化性質(zhì)惡化、肥力下降以及酸化、鹽漬化，還使土壤酶活性下降、土壤微生物群落失衡，造成西瓜土傳病害多發(fā)，尤其是枯萎病的發(fā)作，引起西瓜植株死亡，嚴重的導致西瓜減產(chǎn)，甚至大面積絕收[19]。因此，西瓜連作障礙尤其是枯萎病和設(shè)施土壤退化成為限制西瓜優(yōu)質(zhì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前關(guān)于西瓜連作障礙的研究已有相關(guān)報道，但研究或多或少都存在一定的問題：抗病育種時間長、病原菌不斷變化，出現(xiàn)新的變種；嫁接防治枯萎病，西瓜果實口感變差，品質(zhì)下降，長時間多年種植設(shè)施土壤鹽漬化、根結(jié)線蟲嚴重；化學農(nóng)藥處理土壤污染大氣、土壤和水體，農(nóng)殘多；生防菌和土壤調(diào)理劑防治在自然條件下穩(wěn)定性、持久性不好等[20]。迄今，關(guān)于各種大蒜伴生對連作西瓜障礙影響的相關(guān)研究報道較少，且大多數(shù)研究集中在實驗室，至于大蒜大田化感伴生研究更少，而且不夠系統(tǒng)。因此，本試驗以西瓜品種‘遷麗2號’為試驗材料，利用大蒜間套作化感作用研究其對連作西瓜土壤障礙緩解效果，探討大蒜間套作對西瓜枯萎病發(fā)病率、葉片抗氧化酶系統(tǒng)和根際土壤微生物功能特性的影響，旨在探尋大蒜化感栽培對連作西瓜土壤障礙防控作用機理，以期能夠為連作西瓜生態(tài)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試材料

參試西瓜品種為‘遷麗2號’，中果型花皮紅瓤，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學院宿遷農(nóng)科所選育而成。供試大蒜為地方品種‘邳州白蒜’。供試土壤為沙壤土，2014-2018年已連續(xù)5年種植西瓜，2018年10月種植大蒜，2019年2月底西瓜播種，4月初移栽，6月初種植西瓜收獲。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗于2018年10月至2019年6月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院宿遷農(nóng)科所試驗基地內(nèi)進行。試驗設(shè)3組處理：一組為連作西瓜+空白為對照(CK)；二組為連作西瓜+大蒜苗期伴生，大蒜抽薹前拔除(T1)；三組為連作西瓜+大蒜全生育期伴生，西瓜收獲時收蒜頭(T2)。每組處理3次重復，每重復40株。其中，CK為大棚中間開一條40 cm寬、25 cm深的溝，溝兩側(cè)60 cm處按株行距3 m×0.3 m栽植西瓜；T1和T2處理在離走道60 cm內(nèi)按株行距20 cm×10 cm種植3行大蒜，其他正常管理。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 西瓜枯萎病發(fā)病率座瓜后20 d，開始逐株統(tǒng)計西瓜枯萎病發(fā)病率(發(fā)病標準為植株葉片萎蔫，占全株的1/2以上)，以后每隔5 d統(tǒng)計1次，累計統(tǒng)計4次。

1.3.2 西瓜葉片理化指標座瓜后20 d，取西瓜第15片葉(從基部數(shù))作為樣品，采用氮藍四唑法測定葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶酶(CAT)活性；葉片丙二醛含量采用硫代巴比妥酸加熱顯色法[21]測定，過氧化氫含量參照林植芳等[22]的方法測定，脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性糖含量采用苯酚硫酸方法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮蘭方法測定。

1.3.3 土壤微生物及土壤酶西瓜收獲后，采用取土器在地表下10 cm處分別取土樣。采用稀釋平板法測定細菌、真菌、放線菌以及尖孢鐮刀菌的生物量[23]。細菌含量測定采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌含量測定采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌含量測定采用改良高氏一號培養(yǎng)基，尖孢鐮刀菌含量采用Komda H的選擇性培養(yǎng)基。土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性參照關(guān)松蔭等[24]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理，利用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和Duncan’s多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜伴生對連作西瓜枯萎病發(fā)病率的影響

大蒜化感伴生栽培使得連作西瓜枯萎病發(fā)病率顯著降低。在西瓜座瓜后，從5月25日到6月9日，各處理西瓜枯萎病發(fā)病率均逐漸增加，但大蒜伴生處理始終顯著低于對照(CK)，且始終表現(xiàn)為CK>T1>T2(圖1)。其中，5月25日，CK發(fā)病率為25.81%，T1和 T2發(fā)病率均為0；5月30日，CK發(fā)病率為55.38%，T2、T1的發(fā)病率與對照相比均差異顯著(P<0.05)；6月4日，各處理發(fā)病率繼續(xù)呈增加趨勢，T1、T2處理的枯萎病發(fā)病率分別比對照顯著減少46.00%和123%；各處理枯萎病發(fā)病率均在6月9日達到最高值，T1、T2處理分別比對照顯著減少39.73%和61.00%。

2.2 大蒜伴生對連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜氧化產(chǎn)物含量的影響

大蒜化感伴生栽培對連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜質(zhì)氧化產(chǎn)物含量均有顯著的影響(表1)，即大蒜伴生提高了西瓜葉片保護酶活性，降低了膜質(zhì)過氧化程度。其中，T1處理西瓜葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性比單作對照分別顯著增加46.12%、2.73%和13.94%，T2處理則分別顯著增加59.85%、18.72%和22.53%；T2處理與T1處理相比又分別顯著增加9.40%、15.57%和7.53%。同時，大蒜伴生處理T2和T1西瓜葉片膜氧化產(chǎn)物丙二醛的含量均比單作對照顯著降低。降幅分別為15.47%和11.40%；T2處理過氧化氫含量最低，比對照顯著減少13.38%，而T1處理比對照稍低，但與對照無顯著差異；各處理西瓜葉片超氧陰離子清除能力表現(xiàn)為T2>T1>CK，T2和T1處理分別比對照提高21.81%和18.33%。

表1 大蒜伴生栽培連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜氧化產(chǎn)物含量的變化Table 1 The antioxidant enzyme activities and membrane oxidation products in leaves of continuous cropping watermelon with garlic accompanying

不同小寫字母表示同期處理間在0.05 水平差異顯著(P<0.05)，下同圖1 大蒜伴生對連作西瓜枯萎病發(fā)病率的影響Different letters during same time indicate significant difference among various treatments at 0.05 level (P<0.05).The same as followsFig.1 Effect of garlic allelopathy on the incidence of watermelon wilt in continuous cropping

2.3 大蒜伴生對連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

大蒜化感伴生栽培對連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均有顯著影響，表現(xiàn)為脯氨酸含量顯著降低，可溶性蛋白、可溶性糖含量明顯增加，并均以T2處理變幅最大(表2)。其中，大蒜伴生栽培處理T2西瓜葉片脯氨酸含量比CK顯著減少22.0%，其可溶性蛋白和可溶性糖含量分別比CK顯著增加5.0%和14.0%(P<0.05)。

表2 大蒜伴生栽培連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化Table 2 The osmotic adjustment substances in leaves of continuous cropping watermelon with garlic accompanying

2.4 大蒜伴生對連作西瓜根際土壤微生物數(shù)量的影響

表3顯示，大蒜化感伴生栽培使得連作西瓜根際土壤細菌和放線菌含量均顯著增加，且增加幅度表現(xiàn)為T2處理大于T1處理；與對照相比，T2和T1處理根際土壤細菌數(shù)量比對照分別顯著增加46.64%和14.88%，其放線菌數(shù)量分別顯著增加187%和169%。同時，大蒜伴生栽培卻使得連作西瓜根際真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量顯著減少，且T2處理降幅更大，分別比相應對照顯著減少70.0%和67.86%。說明大蒜化感伴生栽培顯著增加了連作西瓜根際土壤細菌和放線菌數(shù)量，卻顯著減少了根際真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量，且全生育期伴生處理效果更明顯。

表3 大蒜伴生條件下連作西瓜根際土壤微生物數(shù)量的變化Table 3 The microbial quantity in rhizosphere soil from continuous crop watermelon with garlic accompanying

2.5 大蒜伴生對連作西瓜根際土壤酶活性影響

大蒜化感伴生栽培的連作西瓜根際土壤酶活性測定結(jié)果(表4)顯示，大蒜伴生顯著增加了根際土壤多酚氧化酶、過氧化物酶、脲酶的活性，卻降低了土壤蔗糖酶活性，且全生育期伴生處理的效果更明顯。其中，與對照相比較，T1和T2處理連作西瓜根際土壤多酚氧化酶活性分別顯著增加8.11%和12.81%，過氧化物酶活性分別顯著提高28.97%和29.86%，脲酶活性分別顯著增加17.04%和35.33%，蔗糖酶活性分別顯著降低44.40%和40.72%。

表4 大蒜伴生條件下連作西瓜根際土壤酶活性的變化Table 4 The enzyme activities in rhizosphere soil from continuous cropping watermelon with garlic accompanying

3 討論與結(jié)論

3.1 大蒜伴生對連作西瓜土壤生物學特性影響

化感作用可以改良土壤理化性質(zhì)，改善土壤生物學特性[25]。土壤中的微生物對養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運及利用具有重要作用，是衡量土壤生態(tài)質(zhì)量和評價植物健康狀況的重要指標[26]。小麥化感栽培改變了西瓜根際真菌的群落組成和結(jié)構(gòu)、降低了西瓜根際真菌的 Shannon 指數(shù)和 sobs 指數(shù)，對西瓜根際細菌群落及其多樣性影響不大[27]。大麥、芥菜2種化感作物伴生栽培辣椒顯著增加了其土壤中放線菌、細菌發(fā)生數(shù)量，顯著降低其真菌數(shù)量[28]。小麥伴生栽培番茄的土壤有害真菌繁殖數(shù)量大幅顯著減少，有益菌放線菌和有益細菌繁殖數(shù)量顯著增加，改善了植物土壤中的菌落數(shù)量和豐富程度[29]。本試驗結(jié)果表明：大蒜套作化感栽培西瓜顯著增加了栽培系統(tǒng)中西瓜根際土壤細菌、放線菌數(shù)量，降低了土壤真菌、尖孢鐮刀菌數(shù)量，一定程度改善了土壤微生態(tài)。這一點在陳昱[30]的研究中已經(jīng)得到充分驗證。這可能是大蒜根系細胞分泌的各種營養(yǎng)物質(zhì)，促進根系物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，增加了根系水分和植物礦質(zhì)素等元素的消化吸收，或者大蒜根系細胞分泌的某些糖類等各種物質(zhì)為根系微生物正?；顒臃敝程峁┝烁鞣N能量，并與之結(jié)合形成了相互適應的根系菌群以及菌落結(jié)構(gòu)，各種根系微生物豐度的改變改善了大蒜根際土壤的微生物群落，提高了根系土壤營養(yǎng)質(zhì)量[31]。

西瓜土壤中的酶主要來源于動植物殘體及其土壤分泌物，是一種生物活性化學物質(zhì)。其活性與檢測土壤層內(nèi)微生物細菌數(shù)量、有機質(zhì)生物含量及提供土壤所需養(yǎng)分生物含量均具有一定的正相關(guān)性，是檢測土壤生物質(zhì)量的重要化學指示性試劑[32]。大麥伴生栽培增強了番茄根際土壤中脲酶、蛋白酶和其他蔗糖酶活性[29]；分蘗洋蔥提高了洋蔥番茄體系內(nèi)番茄根際土壤中的脫氫酶、多酚類抗氧化酶及脲酶活性[33]；紫背天葵化感栽培提高了連作豇豆生長根系土壤中脲酶、蔗糖氧化酶、多酚類抗氧化酶和多種磷酸酶活性[30]。本研究結(jié)果表明：大蒜伴生化感栽培西瓜增強了西瓜根際土壤中多酚氧化酶、過氧化物酶和脲酶的活性，降低了根際土壤中蔗糖酶的活性。這一點與韓哲[34]伴生芹菜在黃瓜上的化感研究結(jié)果一致。究其原因主要是因為伴生大蒜根系土壤分泌物更加豐富，而大蒜伴生增加了西瓜根系土壤周圍纖維素、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，從而間接改變伴生根際土壤微生態(tài)生長環(huán)境，有效提高西瓜根際土壤酶活性[35]。

3.2 大蒜伴生對連作西瓜葉片酶促保護系統(tǒng)的影響

正常情況下，植物體內(nèi)的氧化酶類和保護代謝系統(tǒng)處于平衡活動狀態(tài)，當植物受到來自外界各種逆境脅迫時，細胞內(nèi)各種抗氧化酶通常會通過協(xié)同相互作用，清除留在細胞內(nèi)過多的細胞活性氧，避免造成細胞膜脂的過氧化。因此各種抗氧化劑的酶活性在很大程度上直接反映了細胞抗逆性的作用強弱[36]。丙二醛是作物逆境下膜脂過程中氧化的主要代謝產(chǎn)物，其含量是植物細胞膜上膜脂受傷害氧化程度的重要指標。伴生大麥和芥菜化感栽培辣椒，可有效提高伴生栽培系統(tǒng)辣椒植株葉片過氧化物酶和過氧化氫酶活性，顯著有效降低伴生栽培系統(tǒng)中辣椒葉片過氧化氫含量[28]；化感小麥根系分泌物能顯著提高看麥娘葉片超氧歧化酶活性、過氧化物酶活性，葉片MDA含量比對照至少提高了30.0%[37]；小麥-西瓜伴生化感栽培系統(tǒng)內(nèi)，小麥化感作用增強了西瓜葉片中的SOD和PPO活性，降低了西瓜葉片中過氧化產(chǎn)物MDA的含量[7]。本研究結(jié)果表明：大蒜化感栽培后，伴生栽培系統(tǒng)中西瓜植株葉片中的SOD、POD和CAT活性均顯著大幅提高，葉片中的MDA、H2O2含量顯著大幅降低，葉片超氧陰離子清除能力顯著增加。這與西瓜辣椒伴生栽培的研究結(jié)果一致[38]，也與玉米設(shè)施草莓伴生栽培的研究結(jié)果類似[39]，但與肖雪梅[35]的大蒜伴生連作黃瓜相關(guān)研究結(jié)果完全相反。這可能是因為大蒜的多種根系分泌物直接活化了西瓜土壤，增加了西瓜對某些礦質(zhì)元素的的吸收，提高了西瓜葉片保護酶活性，從而減少體內(nèi)有害物質(zhì)積累，保護其細胞膜不受傷害[40]。

另外，植物細胞受到自然逆境脅迫時會自動產(chǎn)生大量具有滲透性和調(diào)節(jié)性的物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等，以維持植物細胞膜內(nèi)滲透壓的平衡，維護植物細胞正常生理功能[41]。脯氨酸含量代表其細胞滲透調(diào)節(jié)能力的強弱大小，可溶性蛋白含量可有效緩解高溫逆境對原生植物表皮細胞的嚴重傷害[42]，而可溶性糖是某些物質(zhì)化學合成的一種重要能量來源，對細胞膜和原生質(zhì)中的膠體結(jié)構(gòu)有重要的保護作用。本研究結(jié)果表明：大蒜化感西瓜栽培體系中，西瓜葉片中脯氨酸含量明顯減少，可溶性糖和可溶性蛋白含量明顯增加。前人研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫處理后植株體內(nèi)活性游離脯氨酸含量明顯增加[43]，本研究結(jié)果與之正好相反，可能與品種及其在逆境中的脅迫處理時間延長有關(guān)。一般來說，高溫、高鹽等逆境脅迫條件下，脯氨酸大量轉(zhuǎn)化積累可提高植物逆境下滲透調(diào)節(jié)能力和耐脅迫能力，有助于維持植物細胞的正常新陳代謝。也有研究表明脯氨酸是植物逆境滲透脅迫的自然產(chǎn)物，是植物細胞受到各種逆境脅迫傷害的自然反應[44]。本試驗研究結(jié)果表明脯氨酸含量減少，可能是因為大蒜化感栽培減少了西瓜葉片受傷的程度，降低西瓜葉片葉中脯氨酸的大量積累。

綜上所述，大蒜伴生化感栽培西瓜，顯著抑制了連作西瓜枯萎病的發(fā)病率，同時，大蒜伴生栽培增強了西瓜葉片中的抗氧化生物酶活性，提高了進入西瓜葉片中的可溶性糖和可溶性蛋白含量，而降低了西瓜葉片脯氨酸含量；另外，大蒜伴生栽培還增加了西瓜根際土壤中細菌和放線菌群的數(shù)量，減少了根際真菌和尖孢鐮刀菌群的數(shù)量，也增強了西瓜植株根際土壤多酚抗氧化酶、過氧化物酶和脲酶活性，降低了西瓜根際蔗糖酶活性?？傊?，大蒜伴生栽培顯著改變了西瓜根際土壤微生態(tài)、生長環(huán)境，提高了西瓜植株抗逆性，有效緩解了西瓜的連作障礙。